Đề tài nghiên cứu tìm hiểu về quản lý bộ nhớ ngoài trong hdh windows

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - - BÁO CÁO THỰC NGHIỆM MƠN: NGUN LÍ HỆ ĐIỀU HÀNH Đề tài: “Nghiên cứu tìm hiểu quản lý Bộ nhớ ngồi HDH Windows” Giảng viên: Nguyễn Tuấn Tú Nhóm Nhóm sinh viên:Trần Thế Hải Đăng -2022602340 Nguyễn Thành Đạt - 2022602910 Nguyễn Văn Đức - 2022602010 Trịnh Hoài Đức - 2022602824 Nguyễn Ngọc Tú - 2022602254 Lớp: IT6067.13-K17 Hà Nội, 2023 LỜI NÓI ĐẦU Tất ứng dụng máy tính cần lưu trữ đọc lại thơng tin mà nhận vào xử lý Trong tiến trình chạy, lưu trữ lượng giới hạn thông tin phạm vị khơng gian địa sở hữu Tuy nhiên khả lưu trữ bị giới hạn kích thước không gian địa ảo hệ thống Đối với vài ứng dụng khơng gian vừa đủ, với số ứng dụng khác q nhỏ Mặt khác lưu giữ thơng tin khơng gian địa tiến trình thơng tin bị tiến trình kết thúc Vấn đề thứ ba phải đáp ứng việc truy cập thơng tin đồng thời tiến trình môi trường hệ điều hành đa nhiệm Những vấn đề dễ dàng tìm hiểu thơng qua quản lý tiến trình quản lý nhớ ngồi máy tính Để giải vấn đề hệ điều hành buộc phải thiết kế hệ thống lưu trữ thông tin cho: Thứ phải lưu trữ khối lượng lớn thông tin Thứ hai thơng tin phải bảo tồn mà tiến trình sử dụng kết thúc Và cuối có nhiều tiến trình truy xuất thông tin đồng thời Trên hệ điều hành Windows, giải pháp cho tất vấn đề lưu trữ thông tin đĩa cứng thiết bị media khác đơn vị liệu gọi file (tập tin) Các tiến trình đọc thông tin tập tin ghi thông tin vào tập tin cần thiết Thơng tin lưu trữ tập tin phải không bị tác động việc tạo kết thúc tiến trình Các tập tin quản lý hệ điều hành Thành phần hệ điều hành tham gia trực tiếp vào trình quản lý tập tin đĩa gọi hệ thống file Hệ điều hành phải xây dựng cấu trúc tổ chức hoạt động hệ thống tập tin Một nhiệm vụ quan trọng hệ thống tập tin theo dõi việc lưu trữ tập tin đĩa, theo dõi điều hành việc truy cập vào tập tin tiến trình, bảo vệ tập tin nội dung nó, Cấu trúc, tổ chức, hoạt động nhiệm vụ nhớ hệ điều hành Window trình bày phần Mục lục LỜI NÓI ĐẦU Mục lục CHƯƠNG 1: YÊU CẦU CỦA QUẢN LÍ BỘ NHỚ NGOÀI 1.1 Quản lí khơng gian nhớ tự nhớ ngồi( Free Space Manage) 1.2 Cấp phát khơng gian nhớ tự (Allocation Methods) 1.3 Cung cấp khả định vị nhớ 1.4 Lập lịch cho nhớ (Disk Scheduling) CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VẬT LÝ VÀ THƯ MỤC THIẾT BỊ 2.1 CẤU TRÚC VẬT LÍ 2.1.1 Đĩa từ (Platter) 2.1.2 Các rãnh từ (Track) 2.1.3 Sector 2.1.4 Cylinder 2.1.5 Đầu đọc/ghi (Read Write Heads) 2.1.6 Trình điều khiển đĩa (Disk controller) 2.1.7 Thư mục thiết bị CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÍ KHÔNG GIAN TỰ DO 3.1 Phương pháp dùng bit vector (bitmap) 3.2 Phương pháp liệt kê (Free List) 3.3 Phương pháp lập nhóm (Grouping) 3.4 Phương pháp đếm (Counting) CHƯƠNG 4: CẤP PHÁT KHÔNG GIAN NHỚ TỰ DO .9 4.1 Cấp phát liên tục (continous) 4.2 Cấp phát liên kết (linked) 10 4.3 Cấp phát theo số (Index) 11 CHƯƠNG : LẬP LỊCH CHO ĐĨA .12 5.1 Khái niệm lập lịch cho đĩa 12 5.2 Một số phương pháp lập lịch 13 5.2.1 First Come First Served (FCFS) .13 5.2.2 Shortest Seek Time First (SSTF) 14 5.2.3 Scan 14 5.2.4 C-scan .15 5.2.5 Look 15 5.2.6 C-look .16 CHƯƠNG 6: HỆ FILE 16 6.1 Khái niệm hệ file (File system) .16 6.2 Các yêu cầu hệ file 17 6.3 Các thao tác hệ file 17 6.4 Quản lí file 17 6.5 Bảo vệ file đảm bảo tính tồn vẹn liệu 18 Tài liệu tham khảo 19 CHƯƠNG 1: YÊU CẦU CỦA QUẢN LÍ BỘ NHỚ NGỒI Khi cần lưu trữ chương trìn liệu , hệ thống máy tính bắt buộc phải sử dụng nhớ (đĩa từ, băng từ Compaq ).Nhiệm vụ hệ diều hành phải đảm bảo chức sau 1.1 Quản lí khơng gian nhớ tự nhớ ngồi( Free Space Manage) 1.2 Cấp phát không gian nhớ tự (Allocation Methods) 1.3 Cung cấp khả định vị nhớ 1.4 Lập lịch cho nhớ (Disk Scheduling) CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VẬT LÝ VÀ THƯ MỤC THIẾT BỊ 2.1 CẤU TRÚC VẬT LÍ 2.1.1 Đĩa từ (Platter) Trên bề mặt phủ lớp vật liệu từ tính nơi chứa liệu Số lượng đĩa nhiều Mỗi đĩa từ sử dụng hai mặt, đĩa cứng có nhiều đĩa từ, chúng gắn song song, quay đồng trục, tốc độ với hoạt động Hình 2.1 Cấu tạo đĩa từ Thông tin đĩa từ bị tham chiếu thành phần: - ổ đĩa (Drive) - Mặt đĩa (Side) - Rãnh đĩa (Track) - Cung tròn track (Sector) - Cluster Hệ điều hành xem đĩa mảng chiều mà thành phần khối đĩa (Disk Block) Mỗi khối đĩa ghi thông tin Cylinder, track, Sector mà OS định vị đĩa 2.1.2 Các rãnh từ (Track) Mỗi mặt đĩa chia thành nhiều rãnh tròn đồng tâm gọi Track 2.1.3 Sector Trên Track chia thành phần nhỏ đoạn hướng tâm thành sector Các sector phần nhỏ cuối chia để chứa liệu Theo chuẩn thơng thường sector chứa dung lượng 512 byte 2.1.4 Cylinder Các Track có số hiệu gọi từ trụ (Cylinder) 2.1.5 Đầu đọc/ghi (Read Write Heads) Mỗi mặt đĩa có đầu từ để đọc/ghi liệu mặt đĩa đó, để điều khiển đầu đọc/ghi liệu cần có trình điều khiển đĩa Đầu đọc đơn giản cấu tạo gồm lõi ferit cuộn dây Đầu đọc đĩa cứng có cơng dụng đọc liệu dạng từ hóa bề mặt đĩa từ từ hóa lên mặt đĩa ghi liệu Số đầu đọc ghi số mặt hoạt động đĩa cứng, có nghĩa chúng nhỏ hai lần số đĩa 2.1.6 Trình điều khiển đĩa (Disk controller) Là thiết bị mà đầu đọc/ghi gắn vào nó, sử dụng để điều khiển đầu từ đọc/ghi liệu 2.1.7 Thư mục thiết bị Master Boot Boot Sector FAT or None FAT ROOT Directory Database (Gồm thành (Là sector đầu (Bảng định vị quản (Vùng lưu trữ phần master tiên ổ đĩa có lý liệu đĩa) (Cấu trúc thư mục để tổ chức liệu đĩa) boot record nhiệm vụ khởi partition ) động) CSDL user) Trên đĩa thông thường có thư mục thiết bị(Device Directory) cho biết đĩa gồm thơng tin gì, độ dài, kiểu, người sở hữu, thời điểm khởi tạo, vị trí, phân bổ không gian nào… Thư mục thiết bị tạo đĩa vùng nhớ đặc biệt CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÍ KHƠNG GIAN TỰ DO 3.1 Phương pháp dùng bit vector (bitmap) - Không gian đĩa chia thành khối (Block) đánh số từ ÷ Max Ví dụ : Đĩa mềm 1,44Mb, mặt, 80 track/1 mặt, 18 sector/1 track đánh số sau : Head 0, track 0, sector Block ………………………… …… Head 0, track 0, sector 18 Block 18 Head 1, track 0, sector Block 19 ………………………… …… Head 1, track 0, sector 18 Block 36 ………………………… …… Head 0, track 1, sector 11 Block 17 ………………………… …… Head 1, track 79, sector 18 Block 2879 Mỗi khối đĩa sử dụng bit để đánh dấu trạng thái KHố đĩa sử dụng bit trạng thái có giá trị 1, chưa sử dụng có giá trị Tập hợp kí hiệu 0,1 tạo thành bit vector (bitmap) Đọc thơng tin bitmap, hệ điều hành xác định khơng gian nhớ tự cịn lại đĩa Ví dụ: Cho khơng gian đĩa từ hình 6.1, block 2,3,4,5,8,9,10,11,12,13, 17, 18,25,26,27 block tự Khi bitmap quản lý khơng gian nhớ tự sau: 11 0000 11 000000 111 00 111111 000 1111 Ưu điểm : Đơn giản, dễ quản lý, dễ tìm kiếm Block nhớ tự đĩa Nhược điểm : Tốn không gian lưu trữ bitmap 3.2 Phương pháp liệt kê (Free List) Trong phương pháp hệ thống sử dụng danh sách móc nối để liệt kê Block tự Con trỏ đầu danh sách tới block đĩa tự đầu tiên, block đĩa có trỏ để trỏ tới khối Ưu điểm : Tiết kiệm không gian đĩa Nhược điểm : Tăng thời gian truy nhập đĩa Ví dụ : Giả sử Block 3, 7, tự phân bổ 3.3 Phương pháp lập nhóm (Grouping) Nhóm Block tự liên tiếp thành nhóm, block tự nhóm ghi địa block cịn lại nhóm, block tự cuối nhóm ghi địa block tự nhóm Con trỏ đầu Hình 3.1 Mơ tả khơng gian đĩa từ Ví dụ: Theo hình 3.1, ta có bảng quản lý khơng gian nhớ tự sau: Nhóm Block đầu Block cuối 2(2,3,4,5) 8(8,9,10,11,12,13) 17(17,18) 25(25,26,27) 5(8) 13(17) 18(25) 27( ) 3.4 Phương pháp đếm (Counting) Phương pháp đếm biến đổi phương pháp lập nhóm Trong phương pháp hệ thống lập danh sách quản lý địa block đĩa tự số lượng block tự liên tục block đĩa Ví dụ: Theo hình 6.1 ta có danh sách quản lý không gian nhớ tự sau: Danh sách 17 25 Số lượng CHƯƠNG 4: CẤP PHÁT KHÔNG GIAN NHỚ TỰ DO 4.1 Cấp phát liên tục (continous) Để phân bổ khơng gian nhớ cho file hệ thống chọn đoạn liên tục block đĩa tự để cấp phát cho file đó, với phương pháp để định vị file cần biết địa block số lượng block dùng Hình 4.1 Sơ đồ cấp phát liên tục - Ưu điểm : Hỗ trợ cho phương pháp truy nhập truy nhập trực tiếp - Nhược điểm : Phải chọn phương thức tối ưu để chọn vùng không gian tự cấp phát cho file (First - Fit Best - Fit) Có thể xảy trường hợp không đủ số block đĩa tự liên tiếp cần thiết để cấp phát cho file Gây lãng phí trường hợp có số block đĩa tản mạn không sử dụng 4.2 Cấp phát liên kết (linked) Trong phương pháp file định vị thư mục thiết bị hai trỏ, trỏ tới block đầu tiên, trỏ tới block cuối cấp phát cho file Trong block đĩa cấp phát có trỏ để trỏ tới block đĩa 10 Hình 4.2 Sơ đồ cấp phát liên kết Ví dụ: File a cấp phát blocks đĩa có số hiệu 9,16,1,10,25, Block file a có số hiệu 9, block cuối file a có số hiệu 25 Ưu điểm : Sử dụng block nằm tản mạn đĩa Nhược điểm : Chỉ hỗ trợ truy nhập tuần tự, không hỗ trợ truy nhập trực tiếp + Tốn không gian nhớ để lưu trữ trỏ (khoảng 0.38%) + Độ tin cậy không cao bị trỏ 4.3 Cấp phát theo số (Index) Trong phương pháp để cấp phát không gian nhớ cho file hệ thống sử dụng block đĩa đặc biệt gọi block đĩa số (Index block) cho file Trong block đĩa số chứa địa block đĩa cấp phát cho file, thư mục thiết bị địa block đĩa số block đĩa cấp phát cho 11 file hệ thống loại bỏ địa block đĩa khỏi danh sách block đĩa tự cập nhật vào block số file Phương pháp cấp phát theo số hỗ trợ truy nhập trực tiếp lãng phí khơng gian nhớ dành cho khối đĩa số Hình 4.3 Sơ đồ cấp phát theo số CHƯƠNG : LẬP LỊCH CHO ĐĨA 5.1 Khái niệm lập lịch cho đĩa Thời gian truy nhập đĩa phụ thuộc vào yếu tố sau : - Thời gian di chuyển đầu từ đọc/ghi đến track cylinder cần thiết (seektime) - Thời gian định vị đầu từ đọc/ghi khối đĩa cần truy nhập (latency- time) - Thời gian truy nhập liệu (transfer-time) 12 Thời gian định vị đầu từ đọc/ghi thời gian truy nhập liệu thông thường cố định phụ thuộc cấu trúc kĩ thuật ổ đĩa Do để tăng tốc độ truy nhập đĩa, hệ điều hành thường quan tâm tới thời gian di chuyển đầu từ đọc/ghi Như vậy, lập lịch cho đĩa dùng thuật toán cho thời gian truy nhập đĩa tối ưu 5.2 Một số phương pháp lập lịch 5.2.1 First Come First Served (FCFS) Phương pháp tiến hành đọc khối theo thứ tự, dễ lập lịch gây tốn thời gian truy nhập đĩa khoảng cách khối theo thứ tự xa làm tăng thời gian di chuyển đầu đọc đến block cần truy cập liệu Để truy nhập tới file, hệ thống tổ chức hàng đợi yêu cầu phục vụ track (lưu trữ liệu file cần truy nhập) Track có u cầu phục vụ trước đầu từ đọc/ghi dịch chuyển tới trước Ví dụ: File F1 phân bổ 200 block ( đến 199), liệu lưu trữ block có số hiệu sau : 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Đầu từ đọc/ghi định vị block có số hiệu 53 Sơ đồ dịch chuyển đầu từ đọc/ghi theo thuật toán FCFS thể sau: Hình 5.1 Thuật tốn lập lịch FCFS 13 5.2.2 Shortest Seek Time First (SSTF) Thuật toán chọn track có thời gian di chuyển đầu từ đọc/ghi ngắn phục vụ trước Ví dụ: File F1 phân bổ 200 block ( đến 199), liệu lưu trữ block có số hiệu sau : 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Đầu từ đọc/ghi định vị block có số hiệu 53 Sơ đồ dịch chuyển đầu từ đọc/ghi theo thuật toán SSTF thể sau : Hình 5.2 Thuật tốn lập lịch SSTF 5.2.3 Scan Trong thuật toán này, đầu từ đoc/ghi qt phía ổ đĩa sau qt ngược lại , trình quét gặp track có nhu cầu phục vụ track Theo ví dụ trên, sơ đồ dịch chuyển đầu từ đọc/ghi theo thuật toán Scan thể sau : 14 Hình 5.3 Thuật tốn lập lịch Scan 5.2.4 C-scan Thuật toán tương tự Scan đầu từ đọc/ghi không phục vụ đường ( không quét ngược lại) Theo ví dụ trên, sơ đồ dịch chuyển đầu từ đọc/ghi theo thuật toán C-scan thể sau : Hình 5.4 Thuật tốn lập lịch C-Scan 5.2.5 Look Tương tự Scan thuật toán này, đầu từ đọc/ghi quét phạm vi track có nhu cầu phục vụ, khơng qt tới track cuối (nếu track khơng có yêu cầu phục vụ) Theo ví dụ trên, sơ đồ dịch chuyển đầu từ đọc/ghi theo thuật toán Look thể sau: 15 Hình 5.5 Thuật tốn lập lịch Look 5.2.6 C-look Tương tự Look đầu từ đọc/ghi khơng phục vụ đường Theo ví dụ trên, sơ đồ dịch chuyển đầu từ đọc/ghi theo thuật tốn C-Look thể sau : Hình 5.6 Thuật toán lập lịch C-look Chú ý : Thuật toán FCFS, SSTF áp dụng phổ biến, thuật toán kiểu Scan, Look áp dụng cho đĩa chịu tải lớn CHƯƠNG 6: HỆ FILE 6.1 Khái niệm hệ file (File system) File đơn vị logic để hệ điều hành quản lí thơng tin đĩa 16 6.2 Các yêu cầu hệ file Hệ file tổ chức theo nguyên tắc khác cần phải đảm bảo yêu cầu chung sau : - Dễ quản lý, tìm kiếm, lưu trữ, cập nhật, tiết kiệm khơng gian nhớ - Đảm bảo tính độc lập hệ file với hệ thống thiết bị ngoại vi - Đảm bảo tính an tồn liệu có cố chương trình hay kỹ thuật - Đảm bảo tính an tồn vấn đề truy nhập thông tin người sử dụng 6.3 Các thao tác hệ file Một hệ file dù phức tạp hay đơn giản phải cung cấp cho người sử dụng cơng cụ đơn giản để thao tác với file Trong hệ file, thường có thao tác sau : - Tạo file : Cho phép người sử dụng trực tiếp xây dựng file cung cấp liệu - Đọc file : Cho phép người sử dụng đọc liệu file, tạo không phép sửa đổi nội dung file - Bổ sung,cập nhât liệu vào file : Cho phép người sử dụng sửa đổi nội dung file, cập nhật thêm liệu vào file - Thay đổi thuộc tính file : Cho phép thay đổi thuộc tính : đọc, ẩn , hệ thống, lưu trữ gán quyền truy nhập file cho người sử dụng khác - Xóa file : Cho phép loại bỏ file khỏi thiết bị lưu trữ Để truy nhập đến file hệ file sử dụng phương pháp : Tuần tự trực tiếp 6.4 Quản lí file Thơng tin file ghi thư mục thiết bị ổ đĩa : tên, kiểu, vị trí, Do quản lý file có ý nghĩa tổ chức thư mục thiết bị cho việc thao tác với file tối ưu 17 Một số kiểu tổ chức: + Single - Level - Directory : Một mức cho hệ thống, mức cho người sử dụng +Two Level Directory : Hai mức thư mục, mức hệ thống, mức cho người sử dụng + Tree - Directory : Cấu trúc + Acyclic Graph - Directory : Đồ thị không chu trình 6.5 Bảo vệ file đảm bảo tính tồn vẹn liệu Bảo vệ file thông qua giới hạn quyền truy nhập người sử dụng đọc viết, xử lý, bổ sung,xóa… Một số phương pháp bảo vệ thông thường + Đặt tên, Mật + Liệt kê quyền truy cập + Lập nhóm, Để đảm bảo tính toàn vẹn liệu, hệ điều hành thường áp dụng biện pháp : + Lưu trạng thái qua trình sử dụng + Lưu trạng thái qua thời điểm + Lưu trữ theo hệ 18 Tài liệu tham khảo  Nguyễn Thanh Hải,Nguyễn Tuấn Tú, Trần Thanh Huân (2016) Giáo trình Nguyên lý hệ điều hành, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội  Hà Quang Thụy (1988), Giáo trình Ngun lí hệ điều hành, Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học quốc gia Hà Nội 19